工程测试基础思考题

2.1、如何在噪声背景下提取信号中的周期信息，简述其原理？

2.2、简述相关测速、相关测距的原理？

相关测速是利用随机过程理论中的互相关原理测量速度。它是基于信号采集技术与传感器技术发展起来的一种现代测速方法,与传统测速方法相比,它抗干扰能力更强,能在复杂的干扰条件下准确测量信息体速度,互相关法的抗干扰能力明显优于传统方法, 并且信息体形状不再影响测速精度。因此,相关测速在现代有着多方面的应用。比如:飞机，船舶，汽车等交通工具相对于地球的速度；轧机钢带相对于某一固定点的速度；二相（多相）流体中，非连续相对于管壁的速度等等。从原理上讲，任何在物体运动方向上一定距离处布置的两个传感器，只要它们能够检拾到标记物体的某种信号（一般为随机信号），那么，物体的运动速度都可以用互相关的原理加以测定。

2.3、求周期为T，幅值为A的方波的自相关函数？

2.4、从下面的功率谱中读出信号的主要频率成分。

2.5、已知信号

绘出信号的实频－虚频谱、幅值—相位谱和功率谱。

2.6、已知矩形单脉冲信号的频谱为

试求图示信号的频谱。

第三章思考题

3.1、在什么条件电阻式传感器的输出量与输入量之间有较好的线性关系？

3.2、简述应变式电阻传感器的工作原理，其测量电路有何特点？

金属电阻应变片的工作原理是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着它所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化的现象。

导体的电阻随着机械变形而发生变化的现象叫做电阻应变效应。电阻应变片把机械应变信号转换为△R/R后，由于应变量及相应电阻变化一般都很微小，难以直接精确测量，且不便处理。因此，要采用转换电路把应变片的△R/R变化转换成电压或电流变化。其转换电路常用测量电桥

3.3、用光电式传感器可以测量哪些物理量，简述其工作原理？ 测量多种物理量，如尺寸、位移、速度、温度等

光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器.它首先把被测量的变化转换成光信号的变化,然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号.光电传感器一般由光源,光学通路和光电元件三部分组成.

3.4、请列出几种常见的气体测量传感器？ 半导体气体传感器、电化学气体传感器、催化燃烧式气体传感器、热导式气体传感器、红外线气体传感器、固体电解质气体传感器 3.5、列出几种用磁阻传感器实现的测控装置。

工作原理：利用半导体材料（磁阻元件）的磁阻效应（高斯效应），即改变磁场的强弱，将使磁阻元件沿着电流方向的电阻值发生改变。 磁阻元件可用作位移、力、加速度等参数的改变。 应用：接近开关和无触点开关。

3.6、电容式传感器的工作原理是什么？ 变换原理:将被测量的变化转化为电容量变化

电容式传感器种类：极距变化型（驻极体电容传声器）；面积变化型（陶瓷电容压力传感器；压力变送器）；介质变化型（介质温度湿度计 ；电容测厚仪） 陶瓷电容压力传感器；压力变送器 电容测厚仪

3.7、电感式传感器可分为几类？

电感式传感器种类：可变磁阻式；涡流式；互感式

电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被测量转化为电感量的一种装置。 它除了可以对直线位移或角位移进行直接测量外，还可以通过一定的感受机构对一些能够转换成位移量的其他非电量，如振动、压力、应变、流量等进行检测。

3.8、何谓涡流效应？怎样利用涡流效应进行位移测量？ 在整块导体内部发生电磁感应而产生感应电流的现象称为涡流现象。 3.9、请设计几种测量物体位移的方法，描述其基本原理，各种方法的特点，局限性。

位移传感器又称为线性传感器，它分为电感式位移传感器，电容式位移传感器，光电式位移传感器，位移传感器超声波式位移传感器，霍尔式位移传感器等。 3.10、磁电式传感器可分为几类？ 动圈式 磁阻式

变换原理: 感应电动势

磁电式传感器是把被测量的物理量转换为感应电动势的一种转换器。

3.11、试比较热电偶测温与热电阻测温有什么不同（从原理、测温系统组成和应用场合三方面考虑）。

热电偶测温原理：两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势-热电效应，即热电动势。

热敏式电阻传感器是利用导体的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温的。 热电偶可分为测量导体、外壳、补偿导线、二次仪表等部分

热电阻受热部分是把细金属丝采用双线并绕法均匀地绕制在一定形状的绝缘材料（如云母、石英或陶瓷塑料）制成的支架上，支架起支撑和绝缘作用，当被测介质中有温度梯度存在时，测得的温度是平均温度

热电偶测温，测温端热容量小，动态响应快；机械强度高，挠性好，可安装在结构复杂的装置上。

热电阻测温广泛用来测量－200～850℃范围内的温度，少数情况下，低温可测量至1K，高温达1000℃。标准铂电阻温度计的精确度高，性能稳定，作为复现国际温标的标准仪器。

3.12、请利用压电式传感器设计一个测力装置。

3.13、请列出几种用磁场传感器实现的测控应用装置。

3.14、用光电式传感器可以测量哪些物理量，简述其工作原理？ 亮度传感器

3.15、超声波测距原理，其应用场合与电感、电容传感器测距有何区别？

3.16、请列出几种常见的气体测量传感器？

3.17、列出几个用图象传感器进行检测的例子？

后视系统是图像传感器在车上最广泛最实际的应用。车辆可根据后视系统估计出车的位置及障碍物的距离，准确计算出车辆的预计轨迹，达到自动停车。也可以提供给驾驶员盲区图像。

车道保持系统。该系统是基于图像处理以及图像识别技术的，属于图像识别技术在汽车上应用的先例。当车道偏离正常车车道时，给予驾驶员提醒。

CIS在纸币面额识别中的应用：用到CIS1、CIS2两个独立的CIS图像传感器，C1、C2使用于检测钞票位置的传感器，用于检测钞票的垂直运动量，以便求出钞票的倾斜角。

微光图像传感器 ：人们利用电子增强技术，制成了级联式的像增强器，通过这种像增强可以观测照度低于0.1lx的景物。

3.18、什么是智能传感器？

智能传感器是具有信息处理功能的传感器 智能传感器带有微处理机 具有采集 处理 交换信息的能力 是传感器集成化与微处理机相结合的产物 一般智能机器人的感觉系统由多个传感器集合而成 采集的信息需要计算机进行处理而使用智能传感器就可将信息分散处理从而降低成本与一般传感器相比智能传感器具有以下三个优点通过软件技术可实现高精度的信息采集而且成本低具有一定的编程自动化能力功能多样化

3.19、选择传感器时，一般主要考虑哪些因素？

选择传感器主要考虑灵敏度、响应特性、线性范围、稳定性、精确度、测量方式等六个方面的问题。

1、灵敏度。一般来说越灵敏度越高越好，但在确定灵敏度时，要考虑以下几个问题：灵敏度过高引起的干扰问题；量程范围问题；交叉灵敏问题。

2、响应特性。传感器的响应特性是指在所测频率范围内，保持不失真的测量条件。实际上传感器的响应总不可避免地有一定延迟，但总希望延迟时间越短越好。

3、线性范围。任何传感器都有一定的线性工作范围。在线性范围内输出与输入成比例关系，线性范围愈宽，则表明传感器的工作量程愈大。传感器工作在线性区域内，是保证测量精度的基本条件。

4、稳定性。稳定性是表示传感器经过长期使用以后，其输出特性不发生变化的性能。影响传感器稳定性的因素是时间与环境。

5、精确度。传感器的精确度是表示传感器的输出与被测量的对应程序。

6、测量方式。传感器工作方式，也是选择传感器时应考虑的重要因素。例如。接触与非接触测量、破坏与非破坏性测量、在线与非在线测量等。

第四章思考题

4.1、信号放大电路的种类，如何根据传感器输出特性选择合适的放大电路？ 直流放大、交流放大、电荷放大、电桥放大、差动放大、测量放大、隔离放大 根据

1、直流放大器，低频保留高频截止：交流放大器，高频保留低频截止。 2、同相放大器有非常高的输入阻抗和很低的输出阻抗，常用于前置放大器 3、只要放大交流信号时，可采用集成交流电压同相放大器

4.2、信号调制与解调的种类？ 调制：调幅、调频和调相。

调幅是将一个高频简谐信号（载波）与测试信号（调制信号）相乘，使高频信号的幅值随测试信号的变化而变化。在实际的调幅信号的解调中一般不用乘法器而采用二极管整流检波器和相敏检波器；

调频是利用信号电压的幅值控制载波的频率，调频波是等幅波，但频率偏移量与信号电压成正比。调频波的解调又称为鉴频，调制波的解调电路又叫鉴频器。 调相：载波的相位对其参考相位的偏离值随调制信号的瞬时值成比例变化的调制方式，称为相位调制，或称调相。

4.3、如何消除调幅波中的过调失真？

过调失真：对于非抑制调幅，要求其直流偏置必须足够大，否则x(t)的相位将发生180。 消除：加入足够大的直流偏置（使信号在轴的同一边） 重叠失真：调幅波是由一对每边为fm的双边带信号组成．当载波频率fz较低时，正频端的下边带将与负频端的下边带相重叠．要求: fz＞fm

消除：载波信号的频率要高于调制信号的最高频率，一般都至少是数倍甚至十倍于信号中的最高频率。

4.4、信号滤波器的种类？

根据滤波器选频作用分：低通、高通、带通、带阻

4.5、如何根据测试信号中有用成分和干扰成分的频谱来选择滤波器种类和设定其参数？

分析信号中有的成分的频率和干扰成分的频率。根据频率的高低选择滤波器，达到通信号中有成分，阻干扰成分的目的。

测试信号中有用的信号如果是低频信号，或其干扰信号是高频噪声，则要使用低通滤波器。 测试信号中有用的信号如果是高频信号，混低频干扰信号则要使用高通滤波器。 测试信号中的干扰信号如果是某个频段的信号则要使用带阻滤波器 测试信号中有用的信号如果是某个频段的信号则要使用带通滤波器 信号及其调理试题

4.6、有人在使用电阻应变仪时，发现灵敏度不够，试问，在下列情况下，是否可提高灵敏度？说明为什么？ (1) 半桥双臂各串联一片； (2) 半桥双臂各并联一片。

电桥的输出电压 和电阻的相对变化成正比。由此可知：

1）半桥双臂各串联一片，虽然桥臂上的电阻变化增加1倍，但桥臂总电阻也增加1倍，其电阻的相对变化没有增加，所以输出电压没有增加，故此法不能提高灵敏度；

2）半桥双臂各并联一片，桥臂上的等效电阻变化和等效总电阻都降低了一半，电阻的相对变化也没有增加，故此法也不能提高灵敏度。

4.7、已知调制信号是幅值为10，周期为1秒的方波信号，载波信号是幅值为1，频率为10Hz正弦波信号。

(1) 画出已调制的调幅波的波形； (2) 画出已调制的调幅波的频谱。

第五章思考题

5.1、A/D,D/A转换的过程和目的是什么；A/D, D/A转换器的主要技术指标有哪些？

将模拟信号转换成数字信号，然后进行数字信号的处理达到分析控制等目的。 主要技术指标：

(1) 分辨率：用输出二进制数码的位数表示。位数越多，量化误差越小，分辨力越高。

(2) 转换速度：指完成一次转换所用的时间 (3) 模拟信号的输入范围

5.2、信号量化误差与A/D，D/A转换器位数的关系？

当采样信号的实际电平落在两个相邻量化电平之间时，就要舍入到一个相近的量化电平上。该量化电平与实际电平的差值称为量化误差。转换器的位数越多，就是量化当量越小，转换器转换精度越高，量化误差就误差越小。

5.3、采样定理的含义，当不满足采样定理时如何计算混迭频率？

为保证采样后信号能真实地保留原始模拟信号信息，信号采样频率必须至少为原信号中最高频率成分的2倍。这是采样的基本法则，称为采样定理。一般实际应用中保证采样频率为信号最高频率的5~10倍。 混迭频率=Fs-信号频率

5.4、A/D采样前为何要加抗混滤波器，作用是什么？ 工程测量中采样频率不可能无限高也不需要无限高，因为一般只关心一定频率范围内的信号成份，为解决频率混叠，在对模拟信号进行离散化采集前，采用低通滤波器滤除高于1/2采样频率的频率成分。

5.5、数字信号处理中采样信号的频谱为何一定会产生能量泄漏？

用计算机进行测试信号处理时，不可能对无限长的信号进行测量和运算，而是取其有限的时间片段进行分析，这个过程称信号截断。

将截断信号谱 XT(ω)与原始信号谱X(ω)相比较可知，它已不是原来的两条谱线，而是两段振荡的连续谱. 原来集中在f0处的能量被分散到两个较宽的频带中去了，这种现象称之为频谱能量泄漏。

5.6、用FFT计算的频谱为何一定存在栅栏效应误差？

采样信号的频谱，为提高计算效率,通常采用FFT算法进行计算，设数据点数为：N = T/dt = T. fs 则计算得到的离散频率点为: Xs(fi) ， fi = i.fs/N , i = 0，1，2，.....，N/2 这就相当于透过栅栏观赏风景，只能看到频谱的一部分，而其它频率点看不见，此种现象被称为栅栏效应。 如果信号中的频率分量与频率取样点不重合，则只能按四舍五入的原则，取相邻的频率取样点谱线值代替。FFT计算的频谱的离散取样造成了栅栏效应，谱峰越尖锐，产生误差的可能性就越大。

5.7、窗函数的作用是什么？ 做数字处理时，从信号中截取一个时间片段，然后用观察的信号时间片段进行周期延拓处理。为了减少频谱能量泄漏，可采用不同的截取函数对信号进行截断，截断函数称为窗函数，简称窗。泄漏与窗函数频谱的两侧旁瓣有关，如果两侧瓣的调试趋于零，而使能量相对集中在主瓣，就可以较为接近于真实的频谱，为此，在时间域中可采用不同的窗函数来截断信号。 以减少泄漏,抑制噪音,提高频率分辨能力。 P208

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